预氧化耦合超滤工艺净化处理含藻水研究进展_徐双成.pdf
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1、净水技术,():,净水技术前沿与热点综述徐双成,高熠璇,胡昕如,等 预氧化耦合超滤工艺净化处理含藻水研究进展 净水技术,():,():,预氧化耦合超滤工艺净化处理含藻水研究进展徐双成,高熠璇,胡昕如,崔晓洁,孟子浩,成小翔,(济南普润水务有限公司,山东济南;济南水务集团有限公司,山东济南;山东建筑大学市政与环境工程学院,山东济南)摘 要 湖库等水源地藻类暴发问题依然突出,严重威胁着居民的饮水安全。超滤可以有效截留藻细胞,但在含藻水净化时仍面临着溶解性有机物去除率低、膜污染等瓶颈。为提升净化效率,氧化预处理耦合超滤工艺在含藻水处理领域受到了越来越多的关注。基于此,文章系统地分析了超滤工艺净化含藻
2、水的效能,综述了氯、臭氧、紫外、过硫酸盐和高锰酸盐耦合超滤工艺净化含藻水的研究进展,对氧化预处理耦合超滤工艺净化含藻水的应用前景进行了总结和展望。关键词 预氧化 含藻水 超滤()膜污染 藻细胞 藻源有机物()中图分类号:文献标识码:文章编号:():,(,;,;,),(),()()收稿日期 基金项目 山东省高等学校“青创团队计划”();济南市市校融合发展战略工程项目()作者简介徐双成(),男,硕士,研究方向为水处理技术,:。通信作者 成小翔,教授,:。近年来,我国水环境污染治理取得了显著效果,但湖泊及水库的富营养化问题仍然存在。年中国生态环境状况公报指出,年开展营养状态监测的 个重要湖泊(水库)
3、中,富营养状态的水体占.。当水体处于富营养状态时,藻类可以获得充足的营养物质并大量繁殖。湖库中藻类的大量繁殖不仅使得水质恶化,危害人体健康,还会妨碍水厂的正常运行。超滤技术可以高效截留藻细胞且不会导致藻细胞大量破裂而被广泛应用于含藻水处理领域。然而,藻细胞和藻源有机物()所导致的膜污染制约了超滤技术的推广使用。此外,超滤对于微囊藻毒素、嗅味物质等藻类代谢产物的去除能力也十分有限。膜前预处理是一种较为有效的提升超滤净水效能的手段,主要包括混凝、氧化、吸附等方法。氧化预处理指的是在超滤单元之前,通过向含藻水中投加氧化剂的方式,对其进行简单的氧化处理。合理的氧化预处理方式不仅可以缓解高藻水所导致的膜
4、污染,还可以提升超滤工艺净化含藻水的效能。但是,在氧化处理含藻水时,氧化剂的投加量过高或氧化性过强会导致藻细胞破裂并释放大量胞内有机物(,)。超滤过程中的藻细胞破裂现象不仅会恶化水质,还可能加重超滤膜污染。因此,当采用超滤处理含藻水时,预氧化方式的选择需要慎重考虑。基于此,本文系统地分析了超滤对含藻水的净化效能,综述了氯、臭氧、紫外()、过硫酸盐()和高锰酸盐耦合超滤工艺净化含藻水的研究进展,对氧化预处理耦合超滤工艺净化含藻水的应用前景进行了总结和展望。超滤对含藻水净化效能超滤是一种物理分离技术,其截留分子量()远小于藻细胞的尺寸(.)。因此,超滤不仅可以高效截留藻细胞,还能保持藻细胞的完整性
5、,在含藻水处理中有着极大的优势。马蓉等采用超滤组合工艺处理微污染水源,发现超滤对藻细胞的去除率可达。然而,超滤技术也存在着两个难题亟待克服,即难以截留溶解性有机物和膜污染问题。超滤的净水效能依靠吸附和截留作用实现,对于尺寸小于膜孔径的物质如溶解性有机物,超滤主要依靠吸附作用去除。由于超滤膜的吸附容量有限,对于含藻水中的微囊藻毒素、消毒副产物前驱物和嗅味物质等溶解性有机物质,超滤难以达到较为理想的处理效果。等探究了超滤对于含藻水中各种污染物的净化效能,发现超滤对含藻水中嗅味物质和微囊藻毒素等溶解性有机物的去除效率并不高。如表 所示,含藻水中与藻类相关的膜污染物质主要是藻细胞和。包括 和胞外有机物
6、(,),两者均由蛋白质类和多糖类有机物组成,区别在于 含有更多蛋白质类有机物,且亲水性略强。含藻水对超滤膜的污染机理如图 所示,超滤处理含藻水的过程中藻细胞会被截留在膜表面,形成密实且可压缩的滤饼层,从而导致严重的膜污染,此类膜污染以可逆污染为主,。而 则会在超滤的过程中填充到藻细胞所形成的滤饼层缝隙内或者吸附到膜孔中,导致更严重的不可逆膜污染,。在藻细胞和 的共同污染下,含藻水会对超滤膜造成十分严重的膜污染。需要注意的是,如果藻细胞破裂,还会释放出,的成分包括微囊藻毒素、嗅味物质和各种消毒副产物前驱物等污染物,在恶化水质的同时还会加重膜污染。因此,当采用超滤技术处理含藻水时,应尽量避免藻细胞
7、发生破裂。表 含藻水中膜污染物的特性 污染物物化特性膜污染特性活藻细胞粒径分布均匀,多带负电荷对总膜污染影响较大,主要造成可逆膜污染死藻细胞粒径分布不如活藻细胞均匀,容易自发团聚造成的总膜污染低于活藻细胞,但造成的不可逆膜污染占比更大含有更多的多糖和腐殖质,且大分子物质更多造成的总膜污染低于藻细胞,但不可逆膜污染占比很大含有更多的蛋白质类物质,亲水性更强造成 的 总 膜 污 染 要 高 于,但不可逆膜污染占比略低图 含藻水的膜污染原理 氧化预处理耦合超滤工艺净化含藻水.氯氧化夏季藻类暴发时,水厂常常采取预氯化的方式来控制藻类、提升水质。除了灭藻外,预氯化还可以徐双成,高熠璇,胡昕如,等预氧化耦
8、合超滤工艺净化处理含藻水研究进展,降低水的嗅味,去除水的色度。等研究发现,适度预氯化不仅可以降低高藻水所导致的超滤膜污染,还可以提高超滤对浑浊度和 的去除率。当预氯化与 联合使用时,高藻水所导致的超滤膜污染得到了进一步缓解。这是因为预氯化可以促进藻细胞表面吸附有机物的解吸,使得藻细胞更容易被絮体捕获。不仅如此,的中间产物(水合)也可以促进藻细胞的吸附。田宝义等探究了预氯化对混凝 超滤中试系统处理高藻期滦河水的影响,发现预氯化在减缓膜污染的同时,还有效提高了中试系统对有机物的去除效果,且出水中消毒副产物和微囊藻毒素的浓度均低于国家标准的限值。值得注意的是,氯的氧化性太强,容易导致藻细胞破裂释放,
9、不仅会影响后续的混凝过程,还会促进消毒副产物的生成。因此,当采用预氯化处理含藻水时,应该对氯的投加量和接触时间进行控制。.臭氧氧化臭氧是一种常见的强氧化剂(氧化还原电位.),在水中可以间接产生氧化性更强的(.)。臭氧可与、碳材料、过渡金属等联用以增强氧化能力,提高对污染物的处理效果。在含藻水处理中,使用较多的是臭氧原位氧化。据 等报道,臭氧具有除藻和助凝的双重作用,可以有效缓解超滤处理含藻水过程中的膜污染。等将臭氧原位氧化与陶瓷膜结合处理含藻水,发现臭氧原位氧化降低了.的跨膜压力。如图 所示,臭氧氧化使得附着在细胞表面的 解体,从而减少了细胞的尺寸,膜表面形成了孔隙更大的滤饼层。此外,臭氧还可
10、以通过降解疏水性及大分子性有机物以及对膜孔内污染物的氧化来控制膜污染。但是,该研究同时发现臭氧原位氧化使得超滤出水中微囊藻毒素的浓度增加。等也发现臭氧原位氧化降低了超滤对微囊藻毒素的去除效率,此外还加剧了不可逆膜污染。这可能是臭氧原位氧化导致藻细胞破裂释放出了大量,在恶化水质的同时导致了更严重的不可逆膜污染。为了解决这一问题,殷祺等开发了超滤臭氧活性炭深度处理工艺,首先利用超滤膜去除藻细胞,然后进行臭氧氧化,并利用活性炭吸附氧化后生成的小分子污染物,在处理太湖水的中试试验中发现,该工艺出水中几乎监测不到藻细胞的存在,且有机物的含量也大幅减低。考虑到臭氧有可能会破坏有机膜的结构,建议采用耐氧化的
11、陶瓷膜与之联用。图 原位臭氧氧化对超滤工艺影响的原理 .氧化 多用于饮用水的消毒,在 波长下杀菌能力最强。还对氧化剂有着较好的催化作用,可以促进自由基的生成。单独 可以通过对藻细胞 的损伤来抑制藻类活性,但是需要长时间的连续照射。因此,在处理含藻水时 常与氧化剂联用。等研究了 、和 对超滤膜净化含藻水效能的影响。单独 预处理对于总膜污染影响不大,但是使得不可逆膜污染略有加重。这是因为 照射导致了藻细胞的破裂,形成的细胞碎片以及释放的 加剧了不可逆膜污染。处理不仅可以降解藻液中的荧光有机物和疏水性有机物,还可以矿化小分子有机物。所以,在经过 处理后,藻液的污染负荷降低,膜污染得到缓解。然而,处理
12、使得超滤对于溶解性有机碳()的去除率有所降低,这是因为 处理将大分子有机物分解成了可以穿过膜孔的小分子有机物。处理不仅降低了超滤膜对 的去除效率,还使得不可逆膜污染增大了 倍左右。这是因为 处理只能将 中的大分子有机物氧化为小分子有机物而不能进一步矿化,而且藻液的亲水性在处理后也没有发生明显的变化。因此,处理使得疏水性小分子有机物的含量增加,疏水性小分子有机物在膜孔中的积累导致了不可逆污染的加重。净 水 技 术 ,处理虽然可以破坏和矿化,但是对于藻液 和疏水物质的去除效率要低于 处理,故只有在 投加量较高时才可以取得较为显著的膜污染控制效果。黄廷林等以微污染水库水为原水,以 等氧化方式进行了除
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